DE1236077B - Halbleiter-Festkoerperschaltung mit eigener Stromversorgung - Google Patents

Halbleiter-Festkoerperschaltung mit eigener Stromversorgung

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DE1236077B DEJ20636A DEJ0020636A DE1236077B DE 1236077 B DE1236077 B DE 1236077B DE J20636 A DEJ20636 A DE J20636A DE J0020636 A DEJ0020636 A DE J0020636A DE 1236077 B DE1236077 B DE 1236077B
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Arthur Derrick Thomas
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer: 1 236 077
Aktenzeichen: J 20636 VIII c/21:
Anmeldetag: 10. Oktober 1961
Auslegetag: 9. März 1967
Aus den am 9. 10. 1952 bekanntgemachten Unterlagen der deutschen Patentanmeldung S 23994/21 g-11/02 ist eine steuerbare Gleichrichteranordnung bekanntgeworden, bei der ein Photowiderstand und ein Trockengleichrichter zu einem einzigen Element derart zusammengeschlossen sind, daß der den Photowiderstand bildende Halbleiterkörper zugleich die Halbleiterschicht des Trockengleichrichters ist. Hierbei handelt es sich um ein einziges Halbleiterbauelement, bei dem eine mit zwei Elektroden versehene Halbleiterschicht gleichzeitig zwei Funktionen ausübt.
Im Gegensatz hierzu geht die Erfindung aus von einer Halbleiter-Festkörperschaltung mit Halbleiterbauelementen, die mehrere pn-Übergänge aufweisen, die in einem einzigen Stück aus Halbleitermaterial erzeugt und von einem in dem gleichen Halbleitermaterialstück angeordneten Photoelement mit Energie versorgt sind. Das Halbleitermaterial hat also örtlich verschiedene Funktionen, je nach der Aufgabe der einzelnen Halbleiterbauelemente. Bei der Entgegenhaltung handelt es sich demgegenüber um keine abgeschlossene Schaltung, die auch keine eigene Stromversorgung besitzt.
Aus der Zeitschrift »Instruments and Automation«, April 1957, S. 667 bis 668, ist eine Halbleiter-Festkörperschaltung bekanntgeworden, bei der jedoch die einzelnen p- und η-Zonen lediglich hintereinandergereiht sind. Eine Herstellung mehrerer hintereinander angeordneter p- und η-Zonen ist bekanntlich mit Schwierigkeiten verbunden, die schnell wachsen, wenn mehr als etwa vier bis fünf Zonen hintereinander angeordnet werden sollen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil durch entsprechend andere und geeignetere, geometrische Ausbildung der Halbleiter-Festkörperschaltung zu umgehen. Außerdem soll die Halbleiter-Festkörperschaltung einfacher herzustellen und ohne äußeres Netzwerk betriebsfähig sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Scheibe aus Halbleitermaterial konstanter Dicke mindestens an einer Stelle von beiden Oberflächen her in der Dicke verringert ist, daß die eine Oberfläche mit einer p-dotierten Schicht und die andere Oberfläche mit einer η-dotierten Schicht von jeweils solcher Dicke versehen ist, daß sich die dotierten Schichten an der Stelle mit verringerter Scheibendicke berühren und einen pn-übergang für ein Halbleiterelement, insbesondere für eine Tunneldiode bilden.
Die erfindungsgemäße Festkörperschaltung kann durch wenige Verfahrensschritte in einfacher und Halbleiter-Festkörperschaltung mit eigener
Stromversorgung
Anmelder:
Deutsche ITT Industries G. m. b. H.,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Als Erfinder benannt:
Robert Anthony Hyman,
Arthur Derrick Thomas, London
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 14. Oktober 1960 (35 316)
billiger Weise hergestellt werden. Der den pn-übergang erzeugende Dotierungsschritt bildet nämlich sowohl den pn-übergang für das Photoelement als auch zusammen mit dem die Halbleiterscheibe kontaktierenden Dotierungsschritt das Halbleiterbauelement Tunneldiode. Photoelement und Tunneldiode können somit in nur zwei Verfahrensschritten gebildet werden, wobei die Anzahl der gebildeten Halbleiterbauelemente lediglich von der Anzahl der in der Halbleiterscheibe angebrachten Vertiefungen abhängig ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden ein oder mehrere Halbleiterbauelemente am Rand eines einzigen Stückes aus Halbleitermaterial angeordnet und von einem Fotoelement mit Strom versorgt, das auf der Oberfläche des gleichen Stückes aus Halbleitermaterial hergestellt wurde, so daß sich eine in sich abgeschlossene Schaltung mit eigener Stromversorgung ergibt.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer plättchenförmigen Halbleitermaterialscheibe von gleichmäßiger Dicke, die an bestimmten Stellen in ganz bestimmter Weise vermindert ist. Jede Seite des Plättchens aus Halbleitermaterial wurde einer Behandlung unterworfen, um Schichten oder Zonen dotierten Halbleitermaterials mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Diese dotierten Schichten oder Zonen haben eine solche Tiefe, daß sie an den Stellen miteinander in Kontakt kommen, wo die Dicke des Halbleiterplättchens geringer ist, so daß sie an sich bekannte
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Halbleiterbauelemente mit pn-Übergängen bilden. Die Gebiete verminderter Dicke sind demnach am Rand des Halbleiterplättchens angeordnet, so daß die sich ergebenden Halbleiterbauelemente am Rand des Plättchens gebildet werden.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird ein einzelnes Plättchen aus Halbleitermaterial in der beschriebenen Weise so ausgebildet, daß es eine oder mehrere Tunneldioden enthält, so daß ein Schwingkreis mit eigener Stromversorgung entsteht. Weiterhin können die einzelnen Tunneldioden, wovon mehrere in der beschriebenen Weise in einer solchen Festkörperschaltung enthalten sind, für verschiedene Frequenzen bestimmt sein und verschiedene Eigenschaften haben.
Nachdem zunächst ein Plättchen aus Halbleitermaterial in der beschriebenen Weise behandelt wurde, so daß es eine vollständige und in sich abgeschlossene elektronische Schaltung mit eigener Stromversorgung enthält, kann es in einfacher Weise auf der ganzen Oberfläche mit einer schützenden Oxydschicht bedeckt werden, welche eine vollständige Abdichtung der Vorrichtung bewirkt.
Die vollständige Festkörperschaltung kann ohne Verwendung von ohmschen Kontakten an beliebige äußere Schaltungen induktiv und/oder kapazitiv angekoppelt werden. Ein Verfahren zur Herstellung der nötigen Kopplungselemente besteht in dem Niederschlagen von metallischen oder anderen geeigneten Schichten auf die als Schutzüberzug dienende Oxydschicht, beispielsweise nach Art der Herstellung von gedruckten Schaltungen oder in einer anderen geeigneten Weise.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Figuren näher beschrieben werden. In
F i g. 1 ist ein Teil eines Halbleiterplättchens mit einer darin erzeugten Festkörperschaltung dargestellt;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Plättchen nach Fi g. 1; in
F i g. 3 ist ein Plättchen aus Halbleitermaterial dargestellt, welches längs seines Randes einige Vertiefungen aufweist;
Fig. 4 zeigt das Plättchen von Fig. 3, nachdem es einer Behandlung zur Erzeugung von dotierten Schichten unterworfen wurde, welche die einzelnen Schaltelemente bilden;
Fig. 5 zeigt einen Teil der Anordnung nach Fig. 4, bei dem ein anderes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes verwendet wurde.
In den F i g. 1 und 2 ist ein Plättchen aus Halbleitermaterial 1 dargestellt, welches überall die gleiche Dicke aufweist, mit Ausnahme eines Gebietes, in dem eine Vertiefung auf jeder Seite des Plättchens 1 angeordnet ist, so daß sich an der Stelle 2 ein Teil mit verringerter Dicke ergibt. Die Oberflächen 3 und 4 des Plättchens 1 werden dann einer Behandlung unterworfen, so daß sich dotierte Zonen im Halbleitermaterial bilden, und zwar in diesem Falle die Zone 4, welche das ganze Plättchen auf einer Seite bedeckt, und die Zone 3, welche auf der anderen Seite nur einen Teil der Oberfläche bedeckt. Dies wird durch eine geeignete Maskierung erreicht. Die Tiefe der Zonen 3 und 4 wird so gewählt, daß diese bei der Vertiefung 2 miteinander in Kontakt kommen und ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Ubergang bei Punkt 5 bilden. In diesem besonderen Beispiel besteht das Plättchen 1 aus Silizium vom n-Typ, die Zone 3 ist so weit p-dotiert, daß das Halbleitermaterial degeneriert ist, und die Zone 4 ist bis zur Degeneration η-dotiert. Der pn-übergang 5 bildet dann eine Tunneldiode, deren Eigenschaften nicht nur durch die Eigenschaften der Halbleiterschichten verschiedenen Leitungstyps bestimmt werden, sondern auch von der Ausdehnung des pn-Übergangcs und seiner Dicke, welche wiederum von der Form und Tiefe der Vertiefungen und der Dicke der umgewandelten Schichten abhängt. In dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Beispiel ist die Schicht 3 vom p-Typ hinter der Tunneldiode selbst weitergeführt und bildet einen zickzackförmigen Anschluß 6, welcher als Gleichstromanschluß in einer geeigneten Schaltung dient. Die Induktivität des Zickzackstreifens 6 wirkt als Drossel. Die Schutzschicht 7 aus Oxyd, welche bei der Ausführungsform nach F i g. 2 die ganze Vorrichtung bedeckt, ist mit einer aufgedampften Metallschicht 8 bedeckt, welche auch die Vertiefung der degenerierten Schicht 3 bedeckt und ein Kopplungselement bildet, welches den Wechselstrom mittels des Streifens 9 zu den einzelnen Teilen der Schaltung ohne Gleichstromanschluß leitet.
Die degenerierte p-Schicht 3 und der Grundkörper 1 vom η-Typ können zusammen ein Fotoelement bilden, welches die Anordnung mit Strom versorgt, so daß sie vollkommen unabhängig ist.
In F i g. 3 ist ein Plättchen 10 aus Halbleitermaterial dargestellt, welches überall die gleiche Dicke hat. An bestimmten Punkten längs des Umfanges der Scheibe 10 ist die Dicke von beiden Seiten vermindert, so daß sich die Vertiefungen 11, 12, 13, 14, 15 und 16 ergeben. Die beiden Flächen der Scheibe 10 werden dann dotiert, so daß sich die degenerierten Schichten 17 und 18 bilden, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Die Dicke der degenerierten Schichten wird so gewählt, daß sie an den Vertiefungen miteinander in Kontakt kommen und die Halbleiterbauelemente 19, 20, 21 und 22 mit einem pn-übergang bilden. Die Einzelheiten der Halbleiterbauelemente 19, 20, 21 und 22 sind die gleichen wie bei der Ausbildungsform, welche an Hand der F i g. 1 und 2 beschrieben wurde.
Bei der Ausbildungsform nach F i g. 4 bilden die degenerierte p-Schicht 17 und die Basis-n-SchichtlO ein Fotoelement, und die degenerierte n-Schicht 18 bildet einen ohmschen Kontakt zwischen dem Material 10 vom η-Typ und den einzelnen Halbleiterbauelementen, in diesem besonderen Fall den Tunneldioden. Die ganze Festkörperschaltung kann wieder mit einer schützenden Oxydschicht bedeckt sein, und geeignete Metallschichten können als Kopplungsmittel auf die Oxydschicht aufgebracht sein, oder es können auch geeignet geformte Metallklammern verwendet werden, so daß der zusätzliche Aufdampfprozeß vermieden wird.
F i g. 5 zeigt eine Tunneldiode 23, die in der gleichen Weise hergestellt ist wie die Tunneldioden von F i g. 4, jedoch wurde in diesem Fall die degenerierte Dotierungsschicht 17 unter Verwendung einer Maske hergestellt, so daß sie eine kreisförmige Schicht von geringerem Durchmesser als die Scheibe 10 bildet, welche schmale Zungen 17 α aufweist, die sich in das Gebiet der Tunneldiode 23 erstrecken.
Der Widerstand der Zunge 17 a kann während der Herstellung eingestellt werden, so daß ein bekannter Anteil an Widerstand und Induktivität in die Schaltung hineingebracht wird.
Die Festkörperschaltung gemäß der Erfindung kann eine beliebige Anzahl von Halbleiterbauelementen in einem Plättchen aus Halbleitermaterial erzeugen, und diese Bauelemente können so angeordnet sein, daß sie eine vollständige Schaltung bilden. Eine dieser Schaltungen, welche in den vorstehenden Beispielen beschrieben ist, ist ein Mehrfachoszillator mit eigener Stromversorgung.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele und auf die Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial beschränkt, sondern es kann jedes geeignete Halbleitermaterial verwendet werden.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Halbleiter-Festkörperschaltung mit Halbleiterbauelementen, die mehrere pn-Übergänge aufweisen, die in einem einzigen Stück aus Halbleitermaterial erzeugt und von einem in dem gleichen Halbleitermaterialstück angeordneten Fotoelement mit Energie versorgt sind, d a durch gekennzeichnet, daß eine Scheibe (1) aus Halbleitermaterial konstanter Dicke mindestens an einer Stelle (2) von beiden Oberflächen her in der Dicke verringert ist, daß die eine Oberfläche mit einer p-dotierten Schicht (3) und die andere Oberfläche mit einer n-dotierten Schicht (4) von jeweils solcher Dicke versehen ist, daß sich die dotierten Schichten (3, 4) an der Stelle mit verringerter Scheibendicke berühren und einen pn-übergang (5) für ein Halbleiterelement, insbesondere für eine Tunneldiode bilden.
2. Halbleiter-Festkörperschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente am Rande der Scheibe und das Fotoelement an der einen Oberfläche der Scheibe angeordnet sind.
3. Halbleiter-Festkörperschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebiete verminderter Dicke am Umfang der Scheibe angeordnet sind.
4. Halbleiter-Festkörperschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Tunneldioden in der Scheibe so gebildet sind, daß sich ein Oszillator mit eigener Stromversorgung ergibt.
5. Halbleiter-Festkörperschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die frei liegende Oberfläche überall mit einer Oxydschutzschicht (7) überzogen ist.
6. Halbleiter-Festkörperschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung indirekt an eine äußere Schaltung angekoppelt ist.
7. Halbleiter-Festkörperschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente aus auf der Oxydschicht niedergeschlagenen leitenden Schichten (8) bestehen.
8. Halbleiter-Festkörperschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterscheibe gleichmäßiger Dicke in der Mitte mit zwei einander gegenüberliegenden Vertiefungen versehen ist, daß auf der ganzen Fläche einer Seite eine Dotierungsschicht angeordnet ist und auf einem Teil der anderen Seite einschließlich der Vertiefung eine Dotierungsschicht mit gegenüber der ersten Schicht entgegengesetztem Leitungstyp angeordnet ist, so daß sich bei den Vertiefungen beide Schichten berühren und eine Tunneldiode bilden, daß die erste Dotierungsschicht mit der Halbleiterscheibe ein Photoelement bildet, daß ein schmaler Streifen (6) bestimmten Widerstandes anschließend an die zweite Dotierungsschicht einen Gleichstromanschluß bildet, daß die ganze Scheibe mit einer Oxydschutzschicht (7) überzogen ist und daß mindestens im Bereich der Vertiefung der Seite mit der zweiten Dotierungsschicht auf der Oxydschicht eine Metallschicht (8) zum Einkoppeln eines Wechselstromsignals angeordnet ist.
9. Halbleiter-Festkörperschaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise runde Halbleiterscheibe gleichmäßiger Dicke an ihrem Umfang mit paarweise angeordneten, einander gegenüberliegenden Vertiefungen (13,14, 15, 16) versehen ist, daß auf den gegenüberliegenden Rächen des Plättchens Dotierungsschichten (17,18) unterschiedlichen Leitungstyps so angeordnet sind, daß sie bei den Vertiefungen miteinander in Kontakt kommen und Tunneldioden (19, 20, 21, 22) bilden, daß die eine Dotierungsschicht mit der Halbleiterscheibe ein Fotoelement bildet und die andere Dotierungsschicht als ohmscher Kontakt der Tunneldioden untereinander dient, daß die ganze Oberfläche des Plättchens mit einer Oxydschutzschicht bedeckt ist und daß an geeigneten Stellen der Oberfläche auf der Oxydschicht Metallschichten angeordnet sind, die zur Ankopplung an einen äußeren Stromkreis dienen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 23994 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 9. 10. 1952);
Zeitschrift Instruments and Automation, Bd. 30, 1957, S. 667 und 668.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 518/381 2.67 © Bundesdruckerei Berlin
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